基于層次分析法的河道底泥重金屬污染環(huán)境風險評價研究

朱喜龍

（中元國際投資咨詢中心有限公司河南分公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，河流污染問題日漸凸顯，河道底泥作為河流污染物的重要“匯集所”和水體二次污染“源”引起了極大關(guān)注。重金屬污染物進入水體后在物理、化學、生物等作用下，絕大多數(shù)最終轉(zhuǎn)存至固相、沉積于底泥中［1］。沉入底泥的重金屬隨著水流形態(tài)、水體環(huán)境的變化被再次釋放，造成水體環(huán)境的二次污染［2］，對周邊環(huán)境構(gòu)成潛在污染風險，因此，針對河道底泥的風險評價顯得愈加重要。

風險評價研究起步于20世紀30年代，我國風險評價研究始于20世紀80年代，起初主要圍繞突發(fā)環(huán)境事故開展，后隨著技術(shù)進步和方法改進逐步應用于更廣領(lǐng)域［3-6］。田園［7］選擇層次分析法構(gòu)建對化工園區(qū)內(nèi)企業(yè)的風險指數(shù)評價模型，計算了各化工企業(yè)綜合環(huán)境風險指數(shù)。彭麗梅等［8］采用層次分析法對耕地土壤重金屬污染風險區(qū)域進行劃分，劃分結(jié)果與取樣檢測結(jié)果一致，區(qū)域劃分合理、精確度滿足要求。喬俊等［9］采用層次分析法對新河干渠污染狀況進行了綜合評估，結(jié)果與單項指標評價結(jié)果基本一致，不同之處在于突出了營養(yǎng)元素類污染物的貢獻。汪長永等［10］采用層次分析法對油氣田敏感目標、風險事故類型等進行排序，明確了油氣田污染事故防范重點。

風險評價的源項分析方法多借鑒和結(jié)合安全評價中的事故分析方法，只是兩者的側(cè)重點不同［11］。安全生產(chǎn)中安全評價事故分析的目的主要有經(jīng)分析找出事故原因，針對原因提出相應的預防對策，從而降低同類事故發(fā)生概率。安全管理中安全評價事故分析的目的主要是經(jīng)過分析篩選出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)、潛在危害，分析事故發(fā)生概率及可能產(chǎn)生的后果，進而對系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)整，加強薄弱環(huán)節(jié)，消除隱患，確保系統(tǒng)最優(yōu)化運行。風險評價源項分析主要目的是通過分析系統(tǒng)潛在危險識別、事故發(fā)生概率計算［3］，從而篩選出本系統(tǒng)最大可信事故并估計事故可能導致的危害，最終確定本系統(tǒng)的風險值，較之相關(guān)標準，進而判斷評價該系統(tǒng)能否達到環(huán)境可接受風險水平。事故源項分析是在風險識別的基礎(chǔ)上對主要危險源進一步分析、篩選，從而篩選出最大可信災害事故，并根據(jù)對最大可信災害事故的重點分析確定其事故源項，以預測事故對環(huán)境造成的影響。目前，環(huán)境風險評價中最大可信事故的篩選常用層次分析法來確定。

本研究將層次分析方法引入并用于河道底泥重金屬污染因素篩選，利用層次分析法篩選計算出河道底泥重金屬污染對周邊各環(huán)境要素產(chǎn)生的最大污染類型，定量評估河道底泥重金屬污染類型影響程度，并為可能出現(xiàn)的環(huán)境污染類型的環(huán)境治理提供基礎(chǔ)支撐。

1 層次分析法（AHP）

19世紀70年代，美國著名運籌學家薩蒂教授首次提出一種決策新方法——層次分析法［12］，該方法采用定性與定量相結(jié)合，可實現(xiàn)對定性問題的定量化分析，其特點是將分析人員的經(jīng)驗判斷量化，在政治、經(jīng)濟、金融、管理等很多領(lǐng)域中得到了廣泛的應用，該方法一經(jīng)提出就吸引了各行業(yè)的專家學者對該決策方法做更為深入的理論研究，成為近年來最活躍的決策理論研究領(lǐng)域之一，各種新的研究成果大量涌現(xiàn)。目前，層次分析法廣泛應用于環(huán)境質(zhì)量評價［13］、環(huán)境風險評估［14-15］、水環(huán)境治理效果評估［16-17］等多個研究領(lǐng)域。

1.1 層次分析法的基本原理

層次分析法通過對決策過程的簡化、加速處理，能有效地對復雜問題進行定量化分析并作出有針對性的決策。層次分析法的三個基本準則［12，18］如下。

①構(gòu)造遞階層次。將一個復雜問題分解為若干個有機組成要素，將這些要素整理成一種低階層次的順序。

②設(shè)置權(quán)重。根據(jù)經(jīng)驗，按各要素的相對重要性賦予其數(shù)量值。

③邏輯一致性。分解的要素按照邏輯準則進行一致性劃分，確保按照邏輯性組合，最后綜合分析哪些要素權(quán)重最大，即對結(jié)果影響最大。

1.2 層次分析法的步驟

建立層次分析模型用AHP法分析時，首先要將問題（系統(tǒng)）層次化，構(gòu)造一個層次分析的結(jié)構(gòu)模型。最簡單的層次結(jié)構(gòu)模型分為三層［18］，見圖1。

圖1 基本層次結(jié)構(gòu)模型

1.2.1 構(gòu)造判斷矩陣。遞階層次結(jié)構(gòu)建立后，下層要素對上層要素就有了明確的隸屬關(guān)系。這時，可以通過賦予數(shù)量值的方法來對比各要素之間的優(yōu)劣。如圖1所示，Ci（i=1、2，...，x）準則在目標A下兩兩比較，可得到判斷矩陣，見表1。

表1 判斷矩陣A-C表

Pj（j=1、2，...，y）方案在準則Ci（i=1、2，...，x）下兩兩比較，可得到判斷矩陣，見表2。

表2 判斷矩陣C-P表

判斷矩陣中的aij和b ij為進行兩兩比較后得到的評分值，其值可按照表3中的原則來確定。

表3 取值方法

1.2.2 層次單排序。層次單排序主要包括兩個部分：①以判斷矩陣為依據(jù)，計算該層次與之有聯(lián)系要素的權(quán)值；②檢驗判斷矩陣的一致性。

如在目標A下，可通過求準則C判斷矩陣的最大特征值及其對應的特征向量，對特征向量中的各元素進行歸一化處理。即可得到準則C在目標A下的單排序權(quán)值。求解方案P相對于準則C的單排序權(quán)值方法同上。判斷矩陣一致性檢驗需要計算一致性指標C I，其計算公式如式（1）。

當λmax=x時，C I=0，說明判斷矩陣具有完全一致性；若C I≠0時，需要判斷矩陣是否具有滿意一致性。判斷矩陣滿意一致性指標為RI，對于1至10階的判斷矩陣R I的一致性指標見表4。

表4 判斷矩陣一致性指標RI

判斷矩陣的一致性指標與平均一致性指標的比值即為矩陣的隨機一致性的判斷依據(jù)。公式如式（2）。

當CR≤0.1時，判斷矩陣具有滿意一致性，當C R＞0.1時，需要重新構(gòu)造判斷矩陣直至其具有完全一致性或滿意一致性。

1.2.3 層次總排序。在層次單排序的基礎(chǔ)上，綜合出各個要素對于更上一層的優(yōu)劣排序即為層次總排序。以圖1為例，方案層P對于目標層A的層次總排序法可用表5說明。

表5 層次總排序

表5中ai為層次C中各要素對于目標層A的單排序權(quán)值，Wij為方案層P相對于準則層C中各個要素的單排序權(quán)值，方案層P各個要素相對于目標層A的總排序權(quán)值由表5最右邊一列公式計算得出。最后進行一致性檢驗，符合完全一致性或滿意一致性即可，若不符合，要重新構(gòu)建判斷矩陣，直至符合完全一致性或滿意一致性。

2 河道底泥最大可信污染類型篩選

本研究以一條黃河四級支流底泥為研究對象，根據(jù)調(diào)查情況分析底泥重金屬污染特征和對周邊環(huán)境的影響，采用層次分析法構(gòu)建層次模型，篩選確定其最大可信污染類型，為后續(xù)評估治理奠定基礎(chǔ)。

2.1 建立層次模型

最大可信污染類型是系統(tǒng)各因素發(fā)生概率、危害程度大且風險值最大的事故。根據(jù)風險識別的結(jié)果對河道底泥重金屬污染建立環(huán)境風險層次分析模型（見圖2）。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

對圖2中，準則C對最大可信污染類型目標進行兩兩對比，構(gòu)造判斷矩陣，見表6。

圖2 環(huán)境風險層次模型

表6 判斷矩陣A-C

計算得λmax=3.137，C1、C2、C3對于A的單排序值分 別 為0.268、0.196、0.537。=0.068＜0.1，說明判斷矩陣具有滿意一致性。

通過查閱大量文獻和資料，結(jié)合河道底泥重金屬污染特點，經(jīng)研究建立方案層P對準則層C的判斷矩陣。判斷矩陣如表7、表8、表9。

表7 判斷矩陣C1-P

表8 判斷矩陣C2-P

表9 判斷矩陣C3-P

經(jīng)計算λmax=4.1189，P1、P2、P3、P4對C1的單排序權(quán)值分別為0.472、0.186、0.236、0.105。

一致性判斷：

經(jīng)計算λmax=4.0459，P1、P2、P3、P4對C2的單排序權(quán)值分別為0.294、0.157、0.088、0.459。

一致性判斷：

經(jīng)計算λmax=4.2156，P1、P2、P3、P4對C2的單排序權(quán)值分別為0.248、0.195、0.419、0.137。

一致性判斷：

2.3 層次排序

根據(jù)P對C1、C2的層次單排序的計算結(jié)果，計算出方案層P對于目標層A的層次總排序，結(jié)果見表10。

表10 層次總排序結(jié)果

檢驗一致性：

通過以上計算，說明判斷矩陣具有滿意一致性。

3 結(jié)語

由層次總排序計算結(jié)果可以看出，某河道重金屬污染的環(huán)境風險事故類型重要性的排序為P1＞P3＞P2＞P4，即河道重金屬污染對周邊人群和環(huán)境影響程度最大的風險類型是通過引水灌溉引起的土壤環(huán)境的污染，其次是經(jīng)食物鏈危害動物、灌溉引起的植物受污染以及經(jīng)食物鏈危害人群健康。因此，本研究對象河道重金屬污染最大可信污染事件為引水灌溉引起的土壤環(huán)境的污染。

本研究運用層次分析法篩選河道底泥重金屬污染最大可信污染類型，對層次分析法的原理、分析步驟、計算方法等有了較為深入的了解，但在實際應用中，層次分析法應用在風險評價源項分析中還有很多缺陷需要完善。

①判斷矩陣的建立、兩兩要素比較予以賦值，這些過程有很大的主觀性，賦值的合理性在很大程度上取決于決策者的閱歷和經(jīng)驗，沒有通用的賦值依據(jù)。

②判斷矩陣是否具有一致性計算過程復雜，計算量很大，對于階數(shù)很多的系統(tǒng)，要精確計算最大特征值很困難，工作量也很大，是該方法廣泛應用的重要局限因素。

③該方法本身就是以定性的思維將各要素定量化，相比從前僅定性不定量有了很大程度的進步，但其定量的結(jié)果還有很多的缺陷和不足，需要更多的專家學者更加深入的研究和探討，使之更加完善。